在嵌入式开发中，DS18B20 是单总线协议的典型代表。由于单总线对时序要求极严（微秒级），传统 GPIO 翻转易受中断干扰。本文重点介绍如何通过 UART（串口）硬件 完美模拟 1-Wire 时序。

一、什么是单总线（1-Wire）？

单总线（1-Wire）是由 Dallas（现 Maxim）开发的异步半双工通信协议。

• 极简连线： 最少连线仅需 一根数据线（DQ）+ GND。
• 物理特性： 采用 开漏输出（Open Drain），通过外部上拉电阻（通常 4.7kΩ）保证空闲时总线为高电平。
• 主从结构： 主机发起，从机响应。
• 唯一标识： 每个从机出厂自带全球唯一的 64 位 ROM ID，支持一根线上挂载多个传感器。
• 时序敏感： 通信时序要求严格，主机必须精确控制拉低和释放总线的时间。

二、通信基本流程

一次完整通信包含以下步骤：

1. 初始化（Reset + Presence）

• 主机拉低 ≥ 480µs（Reset）
• 释放总线
• 从机等待 15~60µs 后拉低 60~240µs（Presence）

表示设备在线并准备通信

2. 发送 ROM 命令

用于设备寻址：

命令	功能
Read ROM (33h)	读取唯一ID（单设备）
Match ROM (55h)	选择指定设备
Skip ROM (CCh)	跳过寻址（单设备）
Search ROM (F0h)	搜索所有设备
Alarm Search (ECh)	搜索报警设备

---

3. 发送功能命令

针对设备内部功能操作：

命令	功能
Convert T (44h)	启动温度转换
Read Scratchpad (BEh)	读取数据
Write Scratchpad (4Eh)	写配置
Copy Scratchpad (48h)	写入 EEPROM
Recall E2 (B8h)	读取 EEPROM
Read Power Supply (B4h)	查询供电方式

---

4. 数据读写

写时序：

• 写 0：拉低时间长（60 ~ 120µs）
• 写 1：拉低时间短（1~15µs）

读时序：

• 主机拉低后释放
• 从机决定电平：
  • 低 → 0
  • 高 → 1

三、UART模拟单总线通信原理

利用 UART 的起始位（Start Bit）始终为低电平，以及数据位可控的特性，通过切换波特率来模拟 1-Wire 的各种脉冲。

硬件连接： UART 的 TX 和 RX 必须短接（Half-Duplex 模式或物理短接），并连接一个上拉电阻 到 3.3V。

1. 复位与存在检测（波特率：9600）

• 原理： 9600 下 1 个 Bit 约为 104µs。
• 发送 0xF0：
  • 时序：1 个起始位(0) + 4 个数据位(0) + 4 个数据位(1) + 1 个停止位(1)。
  • 低电平时长：（满足 Reset 要求的 >480µs）。
  • 高电平释放期：后 5 个 bit 为高，DS18B20 会在此期间拉低总线产生 Presence（存在信号）。
• 判断逻辑： 若 Receive != 0xF0，说明有从机拉低了总线，传感器在线。

2. 位读写（波特率：115200）

• 原理： 115200 下 1 个 Bit 约为 8.68µs。

操作	UART 发送字节	信号成分	低电平总时长	1-Wire 标准要求
写 1 / 读请求	0xFF	仅起始位为 0	8.68µs	1 ~ 15µs
写 0	0x00	起始位 + 8位数据全 0	78.12µs	60 ~ 120µs

四、代码示例

1. 单个设备代码示例：

// 初始化 UART 波特率的辅助函数
static void DS18B20_UART_ReInit(uint32_t baudrate) {
    huart2.Init.BaudRate = baudrate;
    HAL_UART_Init(&huart2);
}

// 发送并接收一个位 (115200bps)
static uint8_t DS18B20_WriteRead_Bit(uint8_t bit_val) {
    uint8_t tx_data = bit_val ? 0xFF : 0x00; // 发送 0xFF 代表释放总线读 1，0x00 代表拉低读 0
    uint8_t rx_data = 0;

    HAL_UART_Transmit(&huart2, &tx_data, 1, 10);
    HAL_UART_Receive(&huart2, &rx_data, 1, 10);

    return (rx_data == 0xFF) ? 1 : 0; // 如果收回也是 0xFF，说明总线被拉高，读到 1
}

// 发送一个字节 (8位)
static void DS18B20_WriteByte(uint8_t data) {
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        DS18B20_WriteRead_Bit(data & 0x01);
        data >>= 1;
    }
}

// 读取一个字节 (8位)
static uint8_t DS18B20_ReadByte(void) {
    uint8_t data = 0;
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        if (DS18B20_WriteRead_Bit(1)) { // 发送 1 释放总线，读取回复
            data |= (1 << i);
        }
    }
    return data;
}

// 3. 读取完整温度
float DS18B20_GetTemp(void) {
    uint8_t data[2];
    uint8_t presence_echo = 0;
    uint8_t reset_cmd = 0xF0;

    // --- 1. 启动转换 ---
    DS18B20_UART_ReInit(9600);
    HAL_UART_Transmit(&huart2, &reset_cmd, 1, 10);
    HAL_UART_Receive(&huart2, &presence_echo, 1, 10);
    if (presence_echo == 0xF0) return -101.0; // 没检测到传感器

    DS18B20_UART_ReInit(115200);
    DS18B20_WriteByte(0xCC); // Skip ROM
    DS18B20_WriteByte(0x44); // Convert T

    HAL_Delay(750); // 等待转换

    // --- 2. 读取结果 (必须重新 Reset) ---
    DS18B20_UART_ReInit(9600);
    HAL_UART_Transmit(&huart2, &reset_cmd, 1, 10);
    HAL_UART_Receive(&huart2, &presence_echo, 1, 10);
    if (presence_echo == 0xF0) return -102.0;

    DS18B20_UART_ReInit(115200);
    DS18B20_WriteByte(0xCC); // Skip ROM
    DS18B20_WriteByte(0xBE); // Read Scratchpad

    data[0] = DS18B20_ReadByte(); // LSB
    data[1] = DS18B20_ReadByte(); // MSB

    int16_t temp_raw = (data[1] << 8) | data[0];
    return temp_raw * 0.0625f;
}

2. 多设备支持

如果总线上有多个设备，必须使用 Match ROM 或 Search ROM 来区分不同设备。

• 匹配ID读取：

    DS18B20_UART_ReInit(115200);
    DS18B20_WriteByte(0x55); // Match ROM 指令
    DS18B20_WriteROM(ROM_IDs[rom_id]);   // 发送指定的 8 字节 ID
    DS18B20_WriteByte(0xBE); // Read Scratchpad

在正式布线先，可以逐个接入传感器以确认 ID，或使用 Search ROM 命令扫描总线上的所有设备。

• 读取单个设备的 ROM ID 示例：

void DS18B20_Read_Single_ROM(void) {
    // 1. 复位 (9600 bps)
    DS18B20_UART_ReInit(9600);
    uint8_t reset_cmd = 0xF0;
    uint8_t echo;
    HAL_UART_Transmit(&huart2, &reset_cmd, 1, 10);
    HAL_UART_Receive(&huart2, &echo, 1, 10);

    uint8_t current_id[8];

    if (echo != 0xF0) { // 检测到设备
        // 2. 发送 Read ROM 命令 (0x33h) @ 115200 bps
        DS18B20_UART_ReInit(115200);
        DS18B20_WriteByte(0x33);

        // 3. 连续读取 8 个字节
        for (int i = 0; i < 8; i++) {
            current_id[i] = DS18B20_ReadByte();
        }

        // 4. 打印出来 (假设你已经配置好了 printf)
        printf("ROM ID: ");
        for (int i = 0; i < 8; i++) {
            printf("%02X ", current_id[i]);
        }
        printf("\r\n");
    } else {
        printf("No Sensor Found!\r\n");
    }
}